The History and Development of Cybernetics

ИСТОРИЯ КИБЕРНЕТИКИ и этапы ее развития

История кибернетики

и этапы ее развития

Представлен университетом им. Джорджа Вашингтона (The George Washington University) совместно с Американским обществом кибернетики (The American Society for Cybernetics)

Много лет назад…

… те вещи, которыми располагал древний человек, чтобы выживать, были относительно незамысловатыми.

Каждый объект или процесс, который нами может рассматриваться как система, был относительно простым.

Фактически еще несколько столетий назад было возможным для некоторых людей освоить значительную часть существующих на тот момент знаний.

Леонардо да Винчи

Леонардо да Винчи был непревзойденным мастером в живописи, . . .

. . . в скульптуре, . . .

. . . в познании анатомии, . . .

. . . в архитектуре, . . .

. . . в разработке оружия, . . .

. . . в проектировании механизмов для аэронавтики. Здесь показан его эскиз летательного аппарата 16-го столетия . . .

. . . и его эскиз парашюта на случай, если этот летательный аппарат сломается.

Сложность

Со временем, системы, с которыми были связаны люди, становились . . .

. . . всё более сложными.

Транспортные средства (системы) становились всё сложнее . . .

. . . и сложнее, . . .

. . . и сложнее, . . .

. . . и сложнее, . . .

. . . по мере того как мощность систем увеличивалась.

Становилось понятным, что развитие технологии, . . .

. . . идет насколько быстро, что . . .

. . . опережает нашу способность её контролировать.

Three Mile Island

Вполне понятно, что стало невозможным для одной личности быть в курсе дел развития всех наук, более того, быть лидером во многих из них, каким был Леонардо да Винчи.

Специализация знаний стала необходимостью. Как же тогда мы живём и эффективно работаем в обществе, высоко развитом в техническом отношении?

Существуют ли пути, которыми Вы, современные мужчины и женщины, можете упорядочить сложность, сформулировать ряд принципов, лежащих в основе всех систем и, таким образом, усиливать Вашу способность регулировать мир, в котором Вы живёте?

Кибернетика = Регулирование систем

Эта проблема стала важной для маленькой группы людей в 1940-е годы, которые были пионерами в той области, которая стала называться кибернетикой, наукой, имеющей дело с регулированием систем.

Кибернетика – это междисциплинарная наука, которая изучает всевозвожные системы от молекул . . .

. . . до галактик), с главным вниманием на механизмах регулирования в машинах, в животном мире и в различных обществах.

Термин «

Кибернетика

» произошёл от греческого слова

kybernetes

, означающего человека (рулевой, штурман или кормчий), который обеспечивает управление судном или кораблем.

Этот термин впервые был озвучен в 1948 году и был определён как новая наука Норбертом Винером (Norbert Wiener, 1894-1964), которого называют «отцом» кибернетики.

Норберт Винер был прикладным математиком, биологом и инженером по связи. Во время Второй мировой войны он работал над противовоздушными орудиями, которые управлялись радарами.

Он присоединил специальный радар к орудию так, чтобы оно автоматически нацеливалось на вражеские самолёты. После выстрела орудия радар быстро определял изменяющееся расположение летящего самолета и перенацеливал орудие, это продолжалось до тех пор пока самолёт не был сбит.

Такая система имитировала человеческие функции, причём делала их более эффективно.

Обратная связь

Такие противовоздушные орудия демонстрировали действие кибернетического принципа обратной связи.

«Обратная связь» есть информация о результатах подконтрольного процесса, позволяющая изменять этот процесс.

Радар давал информацию об изменениях местоположения самолета противника и эта информация была использована для корректировки орудийных целей.

Более знакомым примером использования принципа обратной связи для регулирования систем является обычный термостат для обогрева помещения.

Температура в помещении растёт до 21

0

С

Если система обогрева помещения запрограммирована таким образом что позволяет максимальное отклонение на один градус по Цельсию от заданой температуры, то в случае, когда термостат выставлен на 20 градусов, температура в помещении будет расти до 21 градуса . . .

Температура вырастает до 21

0

С Обогреватель отключается

. . . до тех пор пока температурный сенсор в термостате не подаст сигнал обогревателю на отключение.

Температура вырастает до 21

0

С

Обогреватель будет отключен до тех пор, пока температура воздуха в помещении не уменьшится до 19 градусов по Цельсию . . .

Температура снижается до 19

0

С Обогреватель отключается

Температура в помещении вырастает до 21

0

С

. . . тогда сенсор термостата снова даёт сигнал обогревателю на включение.

Обогреватель включается Обогреватель отключается Температура уменьшается до 19

0

С

Саморегулирующаяся система

Сенсор (например, термостата) обеспечивает информационный канал обратной связи, который позволяет системе выявлять различие между заданной температурой 20 градусов по Цельсию и внести изменения, чтобы корректировать ошибку.

Как и для случая противовоздушного орудия и самолета, рассмотренная выше система, состоящая из термостата, обогревателя и помещения, предназначенная для регулирования самой себя через канал обратной связи, является саморегулирующей системой.

Тело человека является одним из нагляднейших объектов, содержащих примеры обратной связи, которые осуществляют регулирование системы. Например, когда Ваш желудок пустой, информация об этом передается в Ваш мозг.

Когда Вы осуществляете корректирующее воздействие, принимая пищу, Ваш мозг подобным образом получает уведомление о том, что Ваш желудок удовлетворён.

Через несколько часов этот процесс стартует снова. Такой канал (петля) обратной связи осуществляется в течение всей нашей жизни.

желудок ощущает голод время желудок содержит пищу человек принимает пищу

Человеческое тело представляет собой чудо саморегуляции и это было объектом изучения для «ранних» кибернетиков, которые использовали изучаемые процессы в качестве моделей для создания саморегулирующихся механизмов. Один из механизмов, который назывался «гомеостат», был сооружён в 1940-е годы британским ученым Россом Эшби (Ross Ashby).

Точно так же как человеческое тело обеспечивает температуру 36,6 градусов по Цельсию, гомеостат мог обеспечивать подобным образом постоянство электрического тока, несмотря на его изменения во внешней сети.

Гомеостаз

Гомеостат, человеческий организм также как и термостат - всё это служит для обеспечения гомеостазиса (или постоянства внутреннего состояния системы) путем осуществления каналов обратной связи различных видов.

При этом не имеет значения то, каким образом передается информация, важно лишь то, что регулятор получает «команду» на изменение некоторого процесса, что приводит к соответствующему адаптивному поведению.

Другой ученый, Грей Уолтер (Grey Walter ), также отстаивал концепцию имитации саморегулирующихся свойств человека и животных.

Его любимым проектом было создание механических черепах, которые могли, подобно живой черепахе, почти свободно двигаться и имели определённые качества автономного поведения.

Грей Уолтер изображен здесь со своей женой Вивиан (Vivian), сыном Тимоти (Timothy) и черепахой Элси (Elsie).

Элси имеет много общего с Тимоти. Так же как Тимоти ищет пищу, «находящуюся» в его теле в виде жирового слоя, Элси ищет свет, которым она «питается» и который превращается в электроэнергию, заряжающую внутренний аккумулятор. После чего она готова вздремнуть при неярком свете, как и Тимоти после приема пищи.

Несмотря на то, что Элси имитирует человеческое поведение, её внутреннее строение весьма отлично.

На фото видно то, что у Элси под панцирем.

Она выглядит похожей больше на транзисторный радиоприемник (внутри), чем на . . .

. . . внутренний состав человеческого тела. Однако, Грей Уолтер, как кибернетик, интересовался не имитацией физической формы человека, но моделированием функций человека.

Кибернетика не ставит вопрос . . .

“Что это?”

. . . но интересуется вопросом . . .

“Как это действует?”

Грей Уолтер не пытался моделировать физические формы человека, как это делает скульптор, но моделировал функции человека.

Другими словами, он смотрел на человека . . .

не как на Объект,

. . . но как на . . .

Процесс

В течение столетий, люди создавали машины для того, чтобы помочь людям в решении различных задач, а не только для того, чтобы выполнять задания, требующие мускульной силы.

Автоматы, наподобие маленьких движущихся фигур человека или животного, которые появлялись из механизма часов с кукушкой или из музыкального «ящика», были популярными в XVIII столетии, а также машины, способные «мыслить», были предметом обсуждения и спекуляций задолго до того как были изобретены электронные компьютеры.

Междисциплинарные встречи 1946-1953 гг. (спонсор ─ фонд Мейси)

В 1946-1953 гг. состоялась серия встреч, посвящённая обсуждению каналов обратной связи и циркулярной причинности в саморегулирующихся системах.

Встречи, спонсируемые Фондом Джосиа Мэйси мл. (Josiah Macy, Jr.), были междисциплинарными, с участием инженеров, математиков, нейрофизиологов и других специалистов.

Председательствовавший на всех этих встречах Уоррен Маккалок (Warren McCulloch ) писал, что ученые, принимавшие участие в дискуссиях, имели много трудностей в понимании друг друга, потому что каждый(ая) имел(а) собственный профессиональный язык.

Некоторые «горячие» аргументы в дискуссиях были столь захватывающими, что Маргарет Миид (Margaret Mead), которая была одной из участниц, однажды даже не заметила, что у нее сломался зуб (что обнаружилось только после завершения встречи).

Более поздние встречи проходили отчасти более спокойно так как их участники развивали более общие подходы.

Такие встречи, вместе с публикацией в 1948 году книги Норберта Винера (Norbert Wiener ), озаглавленной «Кибернетика», послужили тому, чтобы стать основой развития кибернетики в сегоднешнем ёё понимании.

На фото, сделанном в 1950-е годы, видны четыре знаменитых «ранних» кибернетиков, которых мы уже знаем. Вот они (слева неправо): Росс Эшби (Ross Ashby ), приобретший известность благодаря «гомеостату», Уоррен Маккалок (Warren McCulloch), организатор знаменитых встреч Фонда Мэйси, Грей Уолтер (Grey Walter), создатель «черепахи» Элси, и Норберт Винер (Norbert Wiener), кто предложил назвать эту область кибернетикой.

Нейрофизиология + Математика + Философия

Уоррен Маккалок был ключевой фигурой в расширении сферы исследования кибернетики. Несмотря на то, что он был психиатром по образованию, Уоррен Маккалок сочетал свои знания с нейрофизиологией, математикой и философией, чтобы лучше понять такую весьма сложную систему . . .

. . . как нервная система человека.

Он верил, что функционирование нервной системы может быть описано на точном языке математики.

Например, он разработал уравнение, которое объясняет тот факт, что, когда холодный объект, такой как кусок льда, касается кожи на короткий момент времени, то это дает парадоксальное ощущение тепла больше чем холода.

Нейрофизиология + Математиа + Философия

Уоррен Маккалок использовал не только математику и нейрофизиологию, чтобы понять нервную систему, но также и философию (редкое сочетание). Ученые и философы часто представляются очень далёкими в своих интересах, ученые изучают реальные, конкретные . . .

. . . физические вещи, например, растения, . . .

. . . животных . . .

. . . и минералы, в то же время, философы . . .

. . . изучают абстрактные веши, например, идеи, мысли и понятия.

Эпистемология = Наука о знании

Уоррен Маккалок заметил, что существует связь между наукой нейрофизиологией и областью философии, названной эпистемологией, которая является наукой о знании.

В то время как знание рассматривалось обычно как нечто невидимое и абстрактное, Уоррен Маккалок осознал, что знание формируется в физическом органе тела, - в мозге.

Физическое

Мозг Разум

Абстрактное

Знание

Разум есть, по сути, место встречи между мозгом и идеей, между физическим и абстрактным, между наукой и философией.

Физическое Философское Экспериментальная эпистемология

Уоррен Маккалок отыскал новую область, которая «находилась» на пересечении физического и философского. Эту область исследований он назвал «экспериментальной эпистемологией» (исследование знаний посредством нейрофизиологии). Это имело целью объяснить, как активность нервной сети проявляется в том, что мы знаем как чувства и идеи.

Кибернетика = Регулирование систем

Почему же работы Уоррена Маккалока так важны для кибернетиков?

Вспомним о том, что кибернетика -- это наука о регулировании (упорядочивании) систем.

Человеческий мозг является, возможно, наиболее удивительным регулятором, осуществляя регуляцию человеческого тела, а также многих других систем в организме.

Теория о том, как работает мозг, является теорией о том, как генерируются человеческие знания.

Тогда как противовоздушное орудие или термостат являются устройствами, сконструированными людьми для регулирования определённых систем, разум (интеллект) есть система, которая конструирует и регулирует себя сама. Рассмотрим этот феномен несколько ниже.

Другие концепции в кибернетике

Сейчас, когда мы упомянули о нескольких ключевых ученых, их интересах и их научном вкладе, пришло время рассмотреть некоторые другие концепции в кибернетике.

Закон необходимого разнообразия

Одной из важных концепций является закон необходимого разнообразия. Этот закон утверждает следующее: если система становится все более сложной, имеющий место «регулятор» такой системы должен также становиться более сложным, потому что всё больше функций необходимо регулировать. Другими словами, чем более сложная система подлежит регулированию, тем более сложным должен быть её регулятор.

Вернёмся к нашему примеру с термостатом.

Если в доме имеется только печь, термостат может быть достаточно простым – только для управления печью.

Однако, если в доме имеется и печь, и кондиционер, то термостат должен быть более сложным (потребуется больше переключателей, ручек, кнопок), так как потребуется контролировать два процесса: и нагревание, и охлаждение.

Подобный принцип используется в живых организмах. Человек имеет наиболее сложную нервную систему и мозг.

Это позволяет ему заниматься многими различными видами активности и иметь сложное строение тела.

Напротив, некоторые животные, такие как морская звезда, . . .

. . . морской огурец, . . .

. . . и морские анемонии не имеют централизованного мозга, а лишь простые нервные сети, которые используются для всего того, что требуется для регуляции простых тел и функций этих морских животных. В кратком изложении, чем более сложное животное, тем более сложным должен быть его мозг.

Закон необходимого разнообразия применим не только в управлении машинами и в организации движения тела человека, но также и в регулировании социальных систем. Например, чтобы контролировать преступность, нет необходимости и возможноти иметь отдельного полицейского на каждого гражданина, потому что далеко не все активности граждан нуждаются в регулировании, . . .

. . . только нелегальные.

Поэтому, один или два полицейских на каждую тысячу граждан, в общем, обеспечивают необходимые возможности для контроля над нелегальной деятельностью.

В случае, когда требуется достичь баланса между разнообразием в регуляторе и разнообразием в системе, подлежащей регулированию, это следует осуществлять не через увеличение сложности регулятора, но посредством уменьшения разнообразия системы, подлежащей регулированию, т.е. вместо привлечения многих полицейских, можно сосредоточиться на немногих аспектах поведения людей.

Самоорганизующиеся системы

Самоорганизующиеся системы являются иной кибернетической концепцией, которую мы ежедневно демонстрируем. Самоорганизующаяся система – это система, которая становится более организованной по мере того как она приближается к равновесию. Росс Эшби заметил, что всякая система, чьи внутренние процессы или привила взаимодействия не изменяются, является самоорганизующейся системой.

Например, дезорганизованная группа людей, которая ожидает . . .

. . . общественный транспорт, организуется в очередь, потому что, согласно их прошлому опыту, очереди являются практическим средством для достижения ожидаемого сервиса. Такая группа людей образовывает самоорганизующуюся систему.

Даже смесь оливкового масла и уксуса является самоорганизующейся системой. В качестве результата их перемешивания смесь превращается в гомогенизированную жидкость на непродолжительное время.

Так как масло имеет возможность прийти к равновесию (всплыть), смесь превращается в другую структуру, когда перемешанные объемы масла и уксуса сами по себе разделяются на слои. Можно сказать, что смесь организует сама себя.

Идея самоорганизации ведёт к общему целевому правилу.

Чтобы вызвать изменения в каком-либо объекте, поместите этот объект в среду, где взаимодействие между объектом и средой изменяет объект в желательном для Вас направлении. Рассмотрим три примера . . .

Первый пример: чтобы сделать железо из железной руды мы помещаем железную руду в среду, называемую «доменная печь». В печи горит кокс, чтобы произвести тепло. В химической и термодинамической среде доменной печи окислы железа превращаются в чистое железо.

В качестве второго примера рассмотрим процесс обучения ребёнка. Ребёнка приводят в школу . . .

. . . и, как результат взаимодействия с учителями и другими учащимися, ребёнок научается читать и писать.

Третий пример – это регуляция бизнеса со стороны правительства. Чтобы регулировать эти отношения народ Соединённых Штатов принял Конституцию, которая устанавливала три ветви государственной власти.

Путем принятия законов, Конгресс (законодательная власть) создаёт условия для бизнеса с налоговыми стимулами и правовыми запретами, которые проводятся в жизнь исполнительной ветвью власти.

Такие стимулы и запреты (штрафы), которые проводятся в жизнь решениями судебных органов (судебная власть), поощряют бизнесменов изменять свои поступки в желательном (для государства) направлении.

Каждый из этих примеров, а именно, печь, плавящая железо, . . .

. . . школа с её учителями и учащимися . . .

. . . и регулирование бизнеса со стороны правительства, – все эти примеры могут быть осмыслены как самоорганизующаяся система. Каждая система организует себя так, чтобы она двигалась навстречу своему равновесному состоянию. В каждом из примеров известные правила взаимодействия используются, чтобы произвести желаемый результат.

Недавние работы по клеточным автоматам, фрактальной геометрии и теории сложности могут быть осмыслены как развитие исследований по самоорганизующимся системам, проведенных в начале 1960-х годов.

Пока мы вели разговор преимущественно о том, как кибернетика может помочь нам построить механизмы и машины и понять простые регуляторные процессы. Но кибернетика может также быть полезной для понимания того, как генерируются сами знания.

Такое понимание может снабдить нас прочным основанием для регулирования больших систем, таких как бизнес корпорации, народы . . .

. . . и даже весь мир.

Роль наблюдателя

В конце 1960-х годов такие кибернетики как Хайнц фон Фёрстер (Heinz Von Foerster), американский ученый австрийского происхождения, . . .

. . . Умберто Матурана (Humberto Maturana ) из Чили, . . .

. . . Гордон Паск (Gordon Pask) и . . .

. . . Стаффорд Бир (Stafford Beer) из Англии . . .

Кибернетика второго порядка

. . . стали распространять приложения принципов кибернетики на понимание роли наблюдателя. Эту важную сферу исследований назвали «кибернетикой второго порядка».

В то время как кибернетика первого порядка имела дело с управляемыми системами, кибернетика второго порядка имеет дело с автономными системами.

Применение кибернетических принципов к социальным системам привлекло внимание к роли наблюдателя системы, который . . .

. . .

пробуя исследовать и понять такой объект как социальная система, не может отделить себя от системы или препятствовать в оказании воздействия на неё.

В классическом примере учёный, работающий в лаборатории прилагает множество усилий, чтобы предотвратить своё собственное влияние на результат эксперимента. Тем не менее, раз мы переходим от механических систем, таких как, например, система, с которой учёный работает в лаборатории, к социальным системам, то становится невозможным игнорировать роль наблюдателя.

Например, ученый, такой как Маргарет Миид (Margaret Mead), которая изучала народы и их культуры, не могла им помочь, но имела некоторое влияние на людей, которых она изучала.

Потому что она жила в сообществах, которые изучала, их обитатели могли некоторым естественным образом произвести на неё впечатление, понравиться или разозлить её.

Присутствие Маргарет Миид в сообществе, в культуре изменило эту культуру и это, в свою очередь, повлияло на ее наблюдения.

«Эффект наблюдателя» сделал невозможным для Маргарет Миид узнать то, каковым было это сообщество, когда её там не было.

Добросовестный репортёр будет всегда находиться под влиянием своего образования и опыта, следовательно, будет обязательно субъективным. К тому же, репортёр не в состоянии собрать и осмыслить всю информацию, необходимую для проведения полного и точного репортажа о каком-то сложном событии.

На этом основании, лучше иметь несколько различных людей для изучения сложного события или системы. Только выслушав описания нескольких наблюдателей можно сформировать представление о том, насколько сильно описание объекта подвержено субъективности наблюдателя и как много описание отражает событие как таковое.

Поскольку в ранний период развития кибернетики, она в общем применялась к системам, для которых цели были уже заданы, то кибернетика второго порядка относится к системам, которые определяют свои собственные цели.

Это сосредотачивает внимание на том, какие цели формируются. Интересным примером системы, которая, имея уже заданный набор целей, развивается навстречу тому состоянию, когда она определяет свои собственные цели, является человек. Когда дети ещё очень маленькие, родители формируют для них набор целей. Например, родители желают, чтобы их дети учились ходить, разговаривать и имели хорошие манеры.

Тем не менее, по мере того как дети становятся взрослыми, они учатся ставить свои собственные цели и следуют своим намерениям, таким как формирование образовательных целей и целей карьеры, . . .

. . . планируя свою свадьбу . . .

. . . и зарождение семьи.

Чтобы обозреть, что мы изучили, отметим, что в кибернетике впервые было упомянуто о концепции обратной связи.

Тело человека является богатым источником примеров того, как обратная связь позволяет системам организма регулировать самих себя, вызывая тем самым интерес ученых к исследованию . . .

. . . и стимулируя активность человека и животных во всех проявлениях: от хождения до мышления.

Кибернетика изучает качества, присущие самоорганизации продвинулась . . .

. . . от внимания преимущественно к машинам . . .

. . . до изучения сложных социальных систем.

Несмотря на то, что мы никогда не сможем вернуться во времена Леонардо да Винчи и освоить все области существующего тогда знания, мы может конструировать набор принципов, которые лежат в основе поведения всех систем.

Также, как это говорит нам кибернетика, ввиду того, что наблюдатель устанавливает границы систем, которые он хочет проконтролировать, сложность является зависимым от наблюдателя параметром.

Сложность, подобно красоте, зависить от восприятия наблюдателя.

История кибернетики

и этапы ее развития

Текст: Пол Уильямс (Paul Williams) Материал: Enrico Bermudez Paul Williams Написано: Catherine Becker Marcella Slabosky Stuart Umpleby

© 2006 The George Washington University ([email protected])